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로켓은 어떻게 날까

최초의 액체 연료 로켓은 2.5초 동안 날아 약 12.5 m 높이까지 올랐습니다.

엔진은 가스를 아래로 던지고(아래 화살표), 가스는 같은 크기의 힘으로 로켓을 위로 밉니다(위 화살표). 밀어 낼 공기나 땅이 없어도 됩니다.

무언가를 밀어내면 그것도 나를 민다

스케이트보드 위에 서서 무거운 공을 앞으로 던지면, 공을 던진 내 몸은 뒤로 굴러갑니다. 바람을 불어 넣은 풍선을 손에서 놓으면, 풍선 입구로 공기가 빠르게 빠져나가면서 풍선이 날아갑니다. 두 가지 모두 뉴턴의 제3법칙이 작용하는 모습입니다. 한 물체가 다른 물체를 밀면, 밀린 두 번째 물체도 첫 번째 물체를 똑같은 크기의 힘으로 반대 방향으로 되밀어 냅니다. 로켓 엔진은 연료를 태워서 뜨거운 가스를 아주 많이 만들고, 그 가스를 노즐 밖으로 빠른 속도로 내뿜습니다. 로켓은 가스를 뒤로 밀고, 그 가스는 다시 로켓을 앞으로 밉니다.

흔히 하는 실수는 배기가스가 밀어 낼 공기가 있어야 로켓이 나아간다고 생각하는 것입니다. 하지만 그렇지 않습니다. 미는 일은 엔진 안에서, 로켓과 로켓 자신이 만든 가스 사이에서 일어납니다. 그래서 로켓은 길을 가로막는 공기가 하나도 없는 우주의 진공 속에서 오히려 더 잘 작동합니다. 여기서 따져야 할 중요한 양은 운동량(momentum), 즉 질량에 속도를 곱한 값입니다. 예를 들어 엔진이 가스 1 kg을 초속 3,000 m로 뒤로 내보내면, 로켓 주변에 무엇이 있든 상관없이 로켓은 반대쪽으로 3,000 kg·m/s의 운동량을 얻습니다.

로켓 방정식

1903년 러시아의 학교 교사 콘스탄틴 치올콥스키가 우주에서 로켓 엔진을 쓰는 문제를 다룬 논문을 냈고, 거기에 지금도 모든 로켓 설계자가 쓰는 식이 실렸습니다. 이 식은 로켓이 자기 속도를 얼마나 바꿀 수 있는지(Δv)를 단 두 개의 숫자로 알려 줍니다. 하나는 배기가스가 나가는 속도인 배기 속도 ve이고, 다른 하나는 질량비, 즉 처음 질량 m0을 연료를 다 쓴 뒤의 질량 mf로 나눈 값입니다. Δv = ve × ln(m0 ÷ mf). 여기서 반갑지 않은 소식은 식에 로그가 들어 있다는 것입니다. 배기 속도가 초속 3 km일 때, 무게의 4분의 3이 연료인 로켓(질량비 4)은 4.16 km/s를 얻지만, 무게의 90%를 연료로 채워도(질량비 10) 얻는 속도는 6.91 km/s에 그칩니다.

궤도에 오르려면 옆으로 약 초속 7.7 km의 속도에, 올라가는 동안 중력과 공기를 이겨 낼 몫이 더 필요합니다. 이것은 단순한 로켓 하나로는 감당하기 어려운 양입니다. 그래서 찾은 해결책이 단 분리(staging)입니다. 먼저 큰 1단이 로켓 전체를 들어 올리고, 연료가 바닥나면 떨어져 나갑니다. 그러면 무거운 탱크와 엔진을 더는 쓸데없는 짐으로 끌고 가지 않습니다. 그다음 2단은 새로 출발하므로 처음부터 훨씬 좋은 질량비를 가지고 시작합니다. 아폴로 비행에 쓴 NASA의 새턴 V는 3단이었습니다. 1단이 약 68 km 높이까지 들어 올리고, 2단이 거의 궤도까지 데려가고, 마지막 3단이 궤도에 오르는 일을 마무리한 뒤 우주선을 달 쪽으로 밀어 보냈습니다.

배경1926년 3월 16일, 눈 덮인 매사추세츠주 오번의 농장에서 로버트 고더드가 세계 최초로 액체 연료를 쓰는 로켓을 쏘아 올렸습니다. 오번시(Town of Auburn) 자료에 따르면 이 로켓은 41피트(약 12.5 m) 높이까지 올라 2.5초 동안 날았고, 발사대에서 184피트(약 56 m) 떨어진 곳에 떨어졌습니다. 고더드는 이보다 앞선 1919년에 「극한 고도에 이르는 방법」이라는 글을 펴냈는데, 그 글에서 로켓이 달까지 갈 수도 있다고 했다가 사람들에게 놀림을 받았습니다. 그 발사 장소는 지금 골프장 안에 있고, 미국의 국가 사적지(National Historic Landmark)로 지정되어 있습니다.
새턴 V(NASA)값
높이111 m(363피트)
이륙 질량280만 kg
발사 추력3,450만 N
지구 궤도까지약 11만 8,000 kg
달까지약 4만 3,500 kg
단 수3단

로켓이 땅을 떠나려면 엔진의 추력이 로켓의 무게보다 커야 합니다. 새턴 V는 발사대에서 280만 kg × 9.81 m/s² ≈ 2,750만 N의 무게였고 엔진은 3,450만 N을 냈으니, 추력과 무게의 비율은 약 1.26입니다. 남는 700만 N을 280만 kg이 나눠 가지니 처음에는 위쪽으로 생기는 가속도가 약 2.5 m/s²에 불과합니다. 큰 로켓이 발사대에서 그토록 천천히 떠오르는 것처럼 보이는 것은 이 때문입니다. 연료가 타서 없어지면서 질량이 줄어들면 가속도는 점점 커집니다.

  1. 로켓이 움직이는 까닭을 설명하는 법칙은?
    • 뉴턴의 제3법칙
    • 질량 보존 법칙
    • 옴의 법칙
  2. 로켓 엔진은 밀어 낼 공기가 있어야 할까요?
    • 예
    • 아니요, 자기 배기가스를 밀어냄
  3. 엔진이 가스 2 kg을 초속 3,000 m로 내보냅니다. 로켓이 얻는 운동량(kg·m/s)은?
  4. 배기 속도 3 km/s, 질량비 10입니다. Δv는 몇 km/s일까요? (소수 둘째 자리)
  5. 배기 속도 4.4 km/s, 질량비 10입니다. Δv는 몇 km/s일까요? (소수 첫째 자리)
  6. 로켓이 여러 단으로 되어 있는 까닭은?
    • 빈 탱크와 엔진을 버려 남은 부분의 질량비를 좋게 하려고
    • 엔진 하나를 크게 만들면 불을 붙일 수 없어서
    • 로켓을 더 높게 만들려고
  7. 고더드의 로켓은 41피트까지 올랐습니다. 몇 m일까요? (소수 첫째 자리, 1피트 = 0.3048 m)
  8. 새턴 V의 추력은 34.5 MN, 무게는 27.5 MN입니다. 추력 대 무게 비는? (소수 둘째 자리)
  9. 치올콥스키가 우주 로켓 논문을 낸 해는?
    • 1903년
    • 1926년
    • 1957년
  10. 큰 로켓이 처음에 천천히 오르는 것처럼 보이는 까닭은?
    • 추력이 무게보다 조금만 커서
    • 공기가 두꺼워 막아서
    • 엔진이 천천히 데워져서
핵심 정리
  • 로켓은 배기가스를 뒤로 밀고 앞으로 밀립니다(뉴턴 제3법칙). 공기가 필요 없습니다.
  • 로켓 방정식: Δv = vₑ × ln(m₀ ÷ m_f).
  • 단 분리는 쓸모없는 무게를 버려 다음 단의 질량비를 좋게 합니다.
  • 고더드는 1926년 3월 16일 최초의 액체 연료 로켓을 날렸습니다.
  • 새턴 V: 111 m, 280만 kg, 추력 3,450만 N, 3단.
이 과정의 출처 (17)
  • Town of Auburn MA, Robert Goddard (auburnma.gov/693/Robert-Goddard)
  • History.com This Day in History, 16 March 1926 (Tsiolkovsky 1903 treatise)
  • NASA "What Was the Saturn V?" (nasa.gov/learning-resources/for-kids-and-students/what-was-the-saturn-v-grades-5-8)
  • NASA Earth Fact Sheet (nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, GM 0.39860 × 10⁶ km³/s², escape velocity 11.186 km/s, sidereal rotation 23.9345 h)
  • NASA History "The Dawn of the Space Age" (nasa.gov/history/dawn-of-the-space-age)
  • NASA "April 1961, First Human Entered Space" (nasa.gov/image-article/april-1961-first-human-entered-space)
  • GPS.gov Space Segment (gps.gov/space-segment)
  • KARI (kari.re.kr: KOMPSAT-1 1999, Chollian, Nuri launch dates, Danuri contents/193, 194, 196 and news release 2022-12-28)
  • Korea.kr policy news on the Nuri second launch, 21 June 2022 (korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148902762)
  • Korea AeroSpace Administration (kasa.go.kr, founded 27 May 2024)
  • NASA International Space Station Facts and Figures (nasa.gov/international-space-station/space-station-facts-and-figures)
  • ISS National Lab on Zarya and Expedition 1 (issnationallab.org/iss360/celebrating-the-20th-anniversary-of-the-first-international-space-station-module)
  • Korea Herald and Korea.net on Yi So-yeon, 8 April 2008 (koreaherald.com/article/10711787, korea.net/NewsFocus/HonoraryReporters/view?articleId=264742)
  • NASA Apollo pages (nasa.gov/the-apollo-program, nasa.gov/history/apollo-11-mission-overview, nasa.gov/mission/artemis-ii)
  • NASA Voyager 1 (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1) and "What is a light-day" (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1/voyager-1-what-is-a-light-day)
  • NASA Stennis Lagniappe July 2015 on New Horizons at Pluto (nasa.gov/wp-content/uploads/2015/05/julylagniappe.pdf)
  • NASA SVS 5534 Parker Solar Probe (svs.gsfc.nasa.gov/5534).

확인한 날: 2026-10-18